電量變送器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明電量變送器，涉及特別適用于特定功能的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，是一種基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列結(jié)合三模冗余技術(shù)的具備容錯(cuò)功能的電量變送器，包括三相信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、頻率測(cè)量模塊、FPGA控制器模塊、CAN總線通信模塊和電源模塊，克服了現(xiàn)有電量變送器在任意單相變送出錯(cuò)時(shí)將直接導(dǎo)致最終變送結(jié)果錯(cuò)誤，以至引發(fā)系統(tǒng)開環(huán)或設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的缺陷。
【專利說明】電量變送器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及特別適用于特定功能的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，具體地說是電量變送器。
【背景技術(shù)】
[0002]電量變送器在工業(yè)領(lǐng)域的電氣測(cè)量、巡回檢測(cè)、自動(dòng)控制及調(diào)度等過程中具有廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增大以及智能電網(wǎng)的產(chǎn)生和不斷完善，電力系統(tǒng)可靠性問題開始受到世界各國的高度重視。其中，保障電力系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)即是檢測(cè)變送裝置的高可靠性。
[0003]現(xiàn)有的電量變送器不具備冗余容錯(cuò)功能，任意單相變送出錯(cuò)時(shí)將直接導(dǎo)致最終變送結(jié)果錯(cuò)誤，而在工業(yè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，若因電量變送器故障導(dǎo)致反饋信息出錯(cuò)，極易引發(fā)系統(tǒng)開環(huán)或設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。此外，現(xiàn)有的電量變送器仍然存在測(cè)量時(shí)效性不強(qiáng)、精度不高以及無遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口的缺點(diǎn)。因此，在電力系統(tǒng)中需要一種高精度、高時(shí)效性且具備冗余容錯(cuò)功能和網(wǎng)絡(luò)接口的電量變送器問世。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供電量變送器，是一種基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列結(jié)合三模冗余技術(shù)的具備容錯(cuò)功能的電量變送器，克服了現(xiàn)有電量變送器在任意單相變送出錯(cuò)時(shí)將直接導(dǎo)致最終變送結(jié)果錯(cuò)誤，以至引發(fā)系統(tǒng)開環(huán)或設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的缺陷。
[0005]本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:電量變送器，是一種基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列結(jié)合三模冗余技術(shù)的具備容錯(cuò)功能的電量變送器，包括三相信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、頻率測(cè)量模塊、FPGA控制器模塊、CAN總線通信模塊和電源模塊；其中，三相信號(hào)米集模塊包括三相電壓傳感器和三相電流傳感器，A/D米樣模塊包括米樣通道、ADC芯片和外圍電路，三相信號(hào)采集模塊中的三相電壓傳感器和三相電流傳感器的輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端相連接，信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與A/D采樣模塊的輸入端及頻率測(cè)量模塊的輸入端相連接，A/D采樣模塊中的ADC芯片由FPGA控制器模塊中的A/D采樣控制模塊給予同步控制，指使A/D采樣模塊的采樣通道分別對(duì)三相電壓傳感器的電壓信號(hào)和三相電流傳感器的電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，所得的采樣數(shù)據(jù)以并行方式送入FPGA控制模塊，頻率測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)也輸入FPGA控制器模塊，F(xiàn)PGA控制器模塊中的CAN總線通信控制模塊對(duì)CAN總線通信模塊進(jìn)行控制，電源模塊對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA控制器模塊和CAN總線通信模塊提供電力。
[0006]上述電量變送器，所述FPGA控制器模塊為FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，包括鎖相環(huán)模塊、A/D采樣控制模塊、雙口 RAM模塊、DFT變換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、冗余容錯(cuò)模塊和CAN總線輸出控制模塊。
[0007]上述電量變送器，所述三模冗余技術(shù)即三模冗余方法，是將三相電中每一相電視為一個(gè)冗余通道，在FPGA控制器模塊內(nèi)部分別對(duì)每相電的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)參量進(jìn)行并行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以“三取二 ”投票表決方式對(duì)三相參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相互對(duì)比，以判斷正誤，具體方法是:
[0008](I)電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)容錯(cuò)設(shè)計(jì)
[0009]A、B、C三相電壓和電流有效值變送結(jié)果均以16位二進(jìn)制數(shù)字量存儲(chǔ)，該電壓和電流允許測(cè)量最大值分別為Umax=120V、Imax=6A，標(biāo)準(zhǔn)值為US=100V、IS=5A，三相允許互差值為10%US、10%IS，則電壓有效值變送結(jié)果的低11位為允許互差位，因此，“三取二”容錯(cuò)方法采取對(duì)三相電壓、電流計(jì)算結(jié)果截取高5位進(jìn)行從高至低逐位三相互比，根據(jù)三取二表決方式完成對(duì)單相或兩相變送出錯(cuò)的錯(cuò)誤屏蔽，并對(duì)出錯(cuò)相以輸出錯(cuò)誤代碼形式給出提示，以U’ X、I’ X表示X相電壓、電流的高5位值，UX、IX表示X相電壓、電流有效值，Px表示X相有功功率值，具體容錯(cuò)判斷方法如下:
[0010](1.1)三相變送均無錯(cuò)，SP:
【權(quán)利要求】
1.電量變送器，其特征在于:是一種基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列結(jié)合三模冗余技術(shù)的具備容錯(cuò)功能的電量變送器，包括三相信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、頻率測(cè)量模塊、FPGA控制器模塊、CAN總線通信模塊和電源模塊；其中，三相信號(hào)采集模塊包括三相電壓傳感器和三相電流傳感器，A/D米樣模塊包括米樣通道、ADC芯片和外圍電路,三相信號(hào)采集模塊中的三相電壓傳感器和三相電流傳感器的輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端相連接，信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與A/D采樣模塊的輸入端及頻率測(cè)量模塊的輸入端相連接，A/D采樣模塊中的ADC芯片由FPGA控制器模塊中的A/D采樣控制模塊給予同步控制，指使A/D采樣模塊的采樣通道分別對(duì)三相電壓傳感器的電壓信號(hào)和三相電流傳感器的電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，所得的采樣數(shù)據(jù)以并行方式送入FPGA控制模塊，頻率測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)也輸入FPGA控制器模塊，F(xiàn)PGA控制器模塊中的CAN總線通信控制模塊對(duì)CAN總線通信模塊進(jìn)行控制，電源模塊對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA控制器模塊和CAN總線通信模塊提供電力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述FPGA控制器模塊為FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，包括鎖相環(huán)模塊、A/D采樣控制模塊、雙口 RAM模塊、DFT變換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、冗余容錯(cuò)模塊和CAN總線輸出控制模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述三模冗余技術(shù)即三模冗余方法，是將三相電中每一相電視為一個(gè)冗余通道，在FPGA控制器模塊內(nèi)部分別對(duì)每相電的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)參量進(jìn)行并行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以“三取二”投票表決方式對(duì)三相參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相互對(duì)比，以判斷正誤，具體方法是: (I)電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)容錯(cuò)設(shè)計(jì) A、B、C三相電壓和 電流有效值變送結(jié)果均以16位二進(jìn)制數(shù)字量存儲(chǔ)，該電壓和電流允許測(cè)量最大值分別為Umax=120v、Imax=6A，標(biāo)準(zhǔn)值為Us=100v、Is=5A，三相允許互差值為10%US、10%IS，則電壓有效值變送結(jié)果的低11位為允許互差位，因此，“三取二”容錯(cuò)方法采取對(duì)三相電壓、電流計(jì)算結(jié)果截取高5位進(jìn)行從高至低逐位三相互比，根據(jù)三取二表決方式完成對(duì)單相或兩相變送出錯(cuò)的錯(cuò)誤屏蔽，并對(duì)出錯(cuò)相以輸出錯(cuò)誤代碼形式給出提示，以U’ x、I’ x表示X相電壓、電流的高5位值，Ux、Ix表示X相電壓、電流有效值，Px表示X相有功功率值，具體容錯(cuò)判斷方法如下: (1.1)三相變送均無錯(cuò)，即:
U，A = U，B = U，c，I，A = I，B = I，C，則 TT Ua+Ujj+Uc T IA+IB+IC U=」~j~I = ~^，P = PA+PB+PC， S = UI ； Q = ^ls2-P2，= (1.2)單相變送出錯(cuò)，以A相變送出錯(cuò)為例，B、C同理，即
U’ a 關(guān) U’ B = U’ c 或 I’ a 關(guān) I’ B=I' c，則
U - Ub +^cJ _ + ,cP _ ΚΡβ +22~ 3 S = UI, Q =.\]S- - P2， cosφ = PlS,并輸出錯(cuò)代碼； (1.3)兩相變送出錯(cuò)，以A、C相出錯(cuò)為例，其它情況同理A 相出錯(cuò):U’ A 關(guān) U’ B = u’ c 或 I’ A 關(guān) I’ B=I' c’ 且C相出錯(cuò):U’ A=U，B關(guān)U’ c或I’ A=I’ B關(guān)I’ c，則 U = UB, I = IB, P = 3Pb，S = UT, Q = ^S1 - P1，cos滬= ZVS ,并輸出錯(cuò)誤代碼； 上述式子中，U、1、P、S、Q cosP分別表示最終輸出的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)。 (2)頻率容錯(cuò)設(shè)計(jì) A、B、C三相頻率測(cè)量結(jié)果以16位數(shù)字量存儲(chǔ)，“三取二”容錯(cuò)設(shè)計(jì)截取三相頻率測(cè)量結(jié)果的高3位進(jìn)行三相互比，完成對(duì)測(cè)量出錯(cuò)通道的屏蔽，并于出錯(cuò)相以輸出錯(cuò)誤代碼形式給出提示，以f表示最終輸出頻率，f；表示X相頻率值的高3位數(shù)值，fx表示X相頻率的檢測(cè)值，容錯(cuò)方法如下: (2.1)三相測(cè)量均無錯(cuò)，即當(dāng)三相檢測(cè)均無故障時(shí)，取三相運(yùn)算結(jié)果的平均值作為最終輸出，
f’ A = f’ B = f’ C，則
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述電量變送器，其特征在于:所述三模冗余方法中每相電的電壓和電流有效值計(jì)算方法采用全波傅里葉算法，具體方法如下: ADC芯片對(duì)A、B、C三相電進(jìn)行同步采樣得到被測(cè)量的三相電壓和三相電流信號(hào)，由于三相電的每一相均為一個(gè)獨(dú)立通道，下面僅描述A相的電參數(shù)計(jì)算方法，B和C相與之相同， 對(duì)A相進(jìn)行同步采樣得到N點(diǎn)電壓序列{u(n)}和電流序列U (η)}，由其構(gòu)成一個(gè)復(fù)數(shù)序列:
X (n) = u (n) + ji (η) (O ^ η ^ Ν-1) (I) 對(duì)序列進(jìn)行DFT離散傅里葉變換為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述信號(hào)調(diào)理模塊中包含采樣電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述A/D采樣模塊中包含的ADC芯片為A/D7865采樣芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述頻率測(cè)量模塊中包含電壓過零比較器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述電量變送器，其特征在于:所述CAN總線輸出控制模塊是在FPGA控制器模塊內(nèi)采用verilogHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)的，并實(shí)行對(duì)CAN總線通信的控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:所述電源模塊為DC/DC電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述電量變送器，其特征在于:其輸出為CAN總線方式輸出。
【文檔編號(hào)】G01R22/10GK103837738SQ201410043471
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月29日
【發(fā)明者】李志軍, 周苗苗, 馬軍 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)